نخستین‌بار واکنش‌های هسته‌ای ستاره‌های نوترونی اندازه گیری شد!

به گزارش مجله خبری نگار/ایمنا، پژوهشگران دانشگاه ساری در همکاری با دانشگاه یورک، دانشگاه سوویل و مرکز شتاب‌دهنده ذرات TRIUMF کانادا، موفق به انجام نخستین اندازه‌گیری تجربی یک واکنش ضعیف r-فرایندی روی یک هسته رادیواکتیو شده‌اند.

این دستاورد که در نشریه Physical Review Letters به عنوان "پیشنهاد ویراستاران" منتشر شده، نقطه عطفی در مطالعه فرایند‌هایی به شمار می‌آید که تا کنون تنها به صورت نظری مورد بحث بوده‌اند.

در این تحقیق، دانشمندان واکنش ۹۴Sr (α, n) ۹۷Zr را مورد بررسی قرار دادند؛ واکنشی که در آن یک ایزوتوپ رادیواکتیو استرانسیم -۹۴ (۹۴Sr) یک ذره آلفا (هسته هلیوم) را جذب کرده و پس از آن یک نوترون آزاد کرده و به زیرکونیوم -۹۷ (۹۷Zr) تبدیل می‌شود.

این واکنش که نمونه‌ای از فرایند ضعیف r است، نقش حیاتی در تولید عناصر سنگین در خلال برخورد ستاره‌های نوترونی دارد؛ فرآیندی که سرآغاز شکل‌گیری برخی از سنگین‌ترین عناصر موجود در جهان محسوب می‌شود.

یکی از نوآوری‌های اصلی در این پژوهش، به‌کارگیری فناوری نانومواد برای ساخت هدف‌های نوین بر پایه هلیوم بوده است. پژوهشگران از فناوری نوین الکترواسپینینگ و ژل‌های شیمی نرم بهره بردند تا فیلم‌های بسیار نازکی از سیلیکون را تولید کنند که درون آنها میلیارد‌ها حباب میکروسکوپی هلیوم، با اندازه‌ای در حدود چند ده نانومتر، جاسازی شده‌اند. این ساختار منحصر‌به‌فرد، به دلیل ویژگی‌های شیمیایی بی واکنش هلیوم، امکان ایجاد هدف‌هایی فراهم می‌کند که شرایط آزمایشی بسیار شبیه به محیط‌های شدید کیهانی را ارائه می‌دهد.

با استفاده از فناوری پیشرفته TRIUMF برای شتاب‌دهی به تیر‌های یونی رادیواکتیو، تیم پژوهشی توانست ایزوتوپ ۹۴Sr با عمر کوتاه را به سرعت به سمت هدف‌های نانویی مورد نظر حرکت دهد. این روش، که اولین بار در سطح بین‌المللی به کار گرفته شد، امکان اندازه‌گیری دقیق بخش مقطعی واکنش را فراهم کرد و داده‌های تجربی ارزشمندی در اختیار دانشمندان قرار داد که تاکنون تنها به‌صورت نظری پیش‌بینی شده بودند.

دکتر متیو ویلیامز، نویسنده اصلی پژوهش از دانشگاه ساری، در بیانیه‌ای گفت: «این دستاورد بزرگ برای فیزیک نجومی و هسته‌ای است. با به‌کارگیری فناوری نانویی، ما برای اولین بار توانستیم اطلاعات تجربی مستقیم از واکنش‌های ضعیف r را کسب کنیم. این واکنش‌ها نقش کلیدی در شکل‌گیری عناصر سنگین دارند، همانطور که از شواهد موجود در ستارگان کهن به دست آمده است.»

وی افزود: «این داده‌های جدید می‌توانند مدل‌های نظری موجود را مورد آزمایش قرار دهند و به بهبود طراحی رآکتور‌های هسته‌ای مدرن کمک کنند.»

از دیدگاه نجومی، واکنش‌های ضعیف r فرایند‌هایی هستند که حین برخورد ستاره‌های نوترونی رخ می‌دهند. در این رویداد‌های کیهانی، تجمع جرم و انرژی به گونه‌ای فوق‌العاده شدید صورت می‌گیرد که شرایط لازم برای وقوع واکنش‌های هسته‌ای نادر و پیچیده فراهم می‌شود. شواهد تجربی ارائه‌شده در این مطالعه می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا بفهمند چگونه عناصر سنگین همچون طلا، پلاتین و اورانیوم از طریق این فرایند‌ها در کیهان شکل می‌گیرند.

این دستاورد علاوه بر تأثیرات بنیادین در حوزه نجوم، پیامد‌های عملی نیز برای صنعت هسته‌ای دارد. در داخل رآکتور‌های هسته‌ای، هسته‌های رادیواکتیو به‌طور مداوم تولید می‌شوند و مطالعه رفتار آنها برای پیش‌بینی عمر قطعات و بهینه‌سازی عملکرد سیستم‌های هسته‌ای ضروری است.

دکتر ویلیامز خاطرنشان کرد: «داده‌های ما می‌تواند منجر به طراحی رآکتور‌های هسته‌ای بهینه‌تری شود که از لحاظ ایمنی و کارایی بسیار بهتر عمل کنند، درک دقیق واکنش‌های هسته‌ای در شرایط مشابه به آنچه در برخورد ستاره‌های نوترونی رخ می‌دهد، می‌تواند چرخه‌های تعمیر و نگهداری را بهبود ببخشد و هزینه‌های عملیاتی را کاهش دهد.»

پژوهشگران در حال برنامه‌ریزی برای گسترش مطالعات خود به منظور اعمال یافته‌های تجربی بر روی مدل‌های نجومی هستند. آنها قصد دارند تأثیر واکنش‌های ضعیف r روی تولید عناصر سنگین را به‌طور دقیق‌تری مدل‌سازی کنند تا بتوانند چرایی و چگونگی شکل‌گیری این عناصر را بهتر درک نمایند. همچنین، برنامه‌های تحقیقاتی برای بررسی کاربرد‌های فناوری نانویی در زمینه‌های دیگر هسته‌ای و صنعتی نیز در دستور کار قرار گرفته است.

در نهایت، این پژوهش نه تنها یک قدم بزرگ در درک فرآیند‌های بنیادی هسته‌ای و نجومی به شمار می‌آید، بلکه افق‌های نوینی را برای کاربرد‌های فناوری نانویی در صنایع هسته‌ای و انرژی باز می‌کند. همکاری‌های بین‌المللی و بهره‌گیری از فناوری‌های نوین شتاب‌دهنده‌های یونی، این امکان را فراهم کرده‌اند تا آزمایش‌های بسیار دقیقی در شرایطی نزدیک به محیط‌های کیهانی انجام شود. این دستاورد‌ها می‌تواند باعث تحول در نحوه طراحی و بهره‌برداری از رآکتور‌های هسته‌ای مدرن شود و همچنین درک ما از تاریخچه و تکامل کیهان را به طور قابل توجهی بهبود ببخشد.

به گفته پژوهشگران، این موفقیت نوآورانه نمونه‌ای از قدرت هم‌افزایی بین علوم مختلف است؛ جایی که فناوری نانویی، فیزیک هسته‌ای و نجوم در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند تا به سوالات بنیادی درباره منشأ عناصر سنگین و چرایی واکنش‌های هسته‌ای در شرایط شدید بپردازند. این پیشرفت علمی می‌تواند پایه‌ای برای توسعه فناوری‌های آینده باشد که در بسیاری از صنایع کلیدی نظیر انرژی، هوانوردی و حتی فضایی به کار گرفته خواهد شد.